Przemysław KOBEL Politechnika Wrocławska, Wydział Mechaniczno-Energetyczny, Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Alternatywna metoda rozruchu energetycznych kotłów pyłowych wykorzystująca plazmę W artykule zaprezentowana została metoda rozruchu energetycznych kotłów pyłowych wykorzystująca plazmę. Stanowić może ona korzystną alternatywę dla tradycyjnego rozruchu opartego o palniki mazutowe. Rozruchu kotła z wykorzystaniem mazutu jest uciążliwy dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję do atmosfery ciężkich węglowodorów i sadzy. Jest on także kosztowny z powodu wysokich ceny ropy naftowej oraz kosztów, technologicznie skomplikowanej i energochłonnej mazutowej instalacji rozruchowej. Plazmowy system rozruchowy umożliwia uruchomienie kotła wyłącznie z użyciem pyłu węglowego jako paliwa przy pomocy zasilanych energią elektryczną generatorów plazmy (plazmotronów) zamontowanych bezpośrednio na palnikach pyłowych. Rozwiązanie takie umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych. Pozwala również zmniejszyć uciążliwość rozruchu kotła dla środowiska. Artykuł przedstawia plazmowy system rozruchowy na przykładzie rozwiązania będącego wynikiem prac badawczych prowadzonych w Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej. Opisana została idea plazmowego rozruchu kotła oraz budowa i zasada działania plazmowej instalacji rozruchowej. Przedstawiony został plazmowy palnik pyłowy oraz będący jego główną częścią plazmotron, a także układy pomocnicze systemu. Słowa kluczowe: plazma, plazmotron, rozruch kotła 1. Plazmowy rozruch kotłów W Polskiej energetyce podstawowym źródłem pary są kotły o dużej wydajności opalane pyłem węglowym (węgla brunatnego lub kamiennego). Przy uruchamianiu takiego kotła ze stanu zimnego konieczne jest przeprowadzenie procedury rozruchowej mającej na celu stopniowe rozgrzanie kotła oraz współpracujących z nim urządzeń pozwalające uniknąć niszczących naprężeń termicznych. Jako źródło ciepła podczas rozruchu najczęściej wykorzystywane są pomocnicze palniki rozpałkowe opalane mazutem (ciężkim olejem opałowym). Ta metoda jest jednak wysoce uciążliwa dla środowiska naturalnego ze względu na wysoką emisję do atmosfery ciężkich węglowodorów i sadzy (co dla postronnego obserwatora objawia się jako czarne dymienie z komina elektrowni). Wykorzystanie mazutu jest także kosztowne z powodu wysokich cen ropy naftowej będącej surowcem do jego produkcji. Dodatkowo instalacja mazutowa jest technologicznie skomplikowana i cechuje się wysokimi kosztami inwestycyjnymi i eksploatacyjnymi. Do rozruchu kotła stosować można także palniki opalane gazem. Paliwo to jest bardzie ekologiczne i łatwiejsze w dystrybucji od mazutu, jednakże znacznie droższe i bardziej niebezpieczne pod względem wybuchowości. Z tych powodów jest ono rzadko wykorzystywane.
Wobec zaostrzających się norm dotyczących ochrony środowiska oraz wzrostu ceny ropy naftowej stosowanie metody alternatywnej dla tradycyjnie stosowanego rozruchu mazutowego wydaje się wysoce zasadne. Z ekonomicznego, energetycznego i ekologicznego punktu widzenia najbardziej korzystne byłoby uruchamianie kotła wyłącznie przy użyciu pyłu węglowego. Jest to jednak trudne, ponieważ wymaga zapewnienia niezawodnego zapłonu i stabilnego działania palnika pyłowego w niekorzystnych warunkach panujących w zimnym kotle. W celu inicjacji i stabilizacji spalania pyłu wykorzystane mogą zostać zasilane energią elektryczną generatory plazmy (plazmotrony) zamontowane bezpośrednio na palnikach pyłowych. Rozwiązanie takie umożliwia redukcję kosztów zarówno inwestycyjnych, jak i eksploatacyjnych [1]. Pozwala ono również zmniejszyć uciążliwość rozruchu kotła dla środowiska. Na dzień dzisiejszy plazmowa technika rozruchu kotłów nie jest rozpowszechniona. Istnieją instalacje plazmowego rozruchu o różnym stopniu zaawansowania technicznego (laboratoryjne, pilotowe, a nawet w skali przemysłowej). Do wysoce dojrzałych rozwiązań zaliczają się rosyjskie [2], chińskie [3] i czeskie [4]. Brakuje jednak pełnych danych eksploatacyjnych na ich temat. Istnieje wiele problemów i wątpliwości związanych między innymi z niezawodnością. W Zakładzie Spalania i Detonacji Instytut Techniki Cieplnej i Mechaniki Płynów Politechniki Wrocławskiej prace badawcze nad zastosowaniem techniki plazmowej do rozruchu i stabilizacji pracy energetycznych kotłów pyłowych prowadzone są od kilku lat. Opracowana została własna konstrukcja plazmotronu, która obecnie podlega badaniom i optymalizacji. Prowadzone są prace nad bezzakłóceniowymi układami zapłonowymi. Stworzona została także doświadczalna plazmowa instalacja rozruchowa w Elektrociepłowni Czechnica. 2. Wnękowy plazmotron rozruchowy W plazmotronach plazma wytwarzana jest poprzez elektryczne wyładowanie łukowe w gazie, prowadzące do jego silnego nagrzania i jonizacji. Powstały strumień plazmy charakteryzuje się temperaturą rzędu 103 104 K i bardzo dużą koncentracją mocy. Pozwala to na przekazanie w krótkim czasie dużych ilości energii w określone miejsce. Istnieje wiele rozwiązań technicznych plazmotronów różniących się budową, wykorzystywanym czynnikiem plazmotwórczym, sposobem zasilania lub osiąganą mocą. Jednym z możliwych rozwiązań konstrukcyjnych jest tzw. plazmotron wnękowy (rys. 1). W rozwiązaniu tym elektrody mają postać wykonanych z miedzi tulei, ustawionych wzdłużnie i oddzielonych ceramiczną przegrodą izolacyjną. Czynnik plazmotwórczy (powietrze) doprowadzany jest do plazmotronu dwoma niezależnymi strumieniami. Pierwszy tzw. wzdłużny wprowadzany jest od strony katody i podlega zawirowaniu względem osi plazmotronu. Drugi tzw. obwodowy doprowadzany jest poprzez przegrodę izolacyjną i również podlega zawirowaniu. Takie doprowadzenie powietrza powoduje wirowe przemieszczanie się punktów przyczepienia łuku po powierzchniach elektrod, co chroni je przed miejscowym przegrzaniem i przepaleniem. Wielkości i wzajemny stosunek strumieni powietrza dobiera się eksperymentalnie, celem zapewnienia optymalnej pracy plazmotronu. Aby odprowadzić nadwyżkę ciepła, mogącą uszkodzić plazmotron, elektrody są intensywnie chłodzone wodą [5]. Istotnym elementem plazmotronu jest układ zapłonowy. Aby wytworzyć główne wyładowanie plazmowe konieczne jest wstępne zjonizowanie czynnika plazmotwórczego w przestrzeni międzyelektrodowej. Opracowano urządzenie zapłonowe z wysokonapięciowym, niskoczęstotliwościowym wyładowaniem iskrowym. Cechuje się ono prostą konstrukcją i dużą niezawodnością oraz niskim poziomem zakłóceń elektromagnetycznych [6].
Rys. 1. Plazmotron wnękowy schemat [5] i widok. 3. Instalacja rozruchowa wykorzystująca plazmotrony Procedura plazmowego rozruchu kotła pyłowego jest podobna do normalnego rozruchu z zastosowaniem palników mazutowych. Jej istotą jest to, że od początku (od stanu zimnego kotła) pracują palniki pyłowe z zainstalowanymi plazmotronami (Plazmowe Palniki Pyłowe). Pozostałe palniki są uruchamiane stopniowo po osiągnięciu wymaganych parametrów cieplnych komory paleniskowej oraz innych elementów bloku. Jako PPP mogą zostać wykorzystane istniejące palniki pyłowe po modyfikacji lub nowe, specjalnie w tym celu stworzone. Liczba, moc i konfiguracja PPP zależy przede wszystkim od wydajność kotła i rodzaju paleniska [7]. Na rys. 2 pokazano potencjalną konfigurację PPP dla kotła OP-130, gdzie plazmotrony zainstalowane są na istniejących muflowych palnikach rozpałkowych. 2 1 4 5 3 Kocioł OP -130 1. komora spalania 2. palniki główne 3. palniki rozpałkowe 4. zasilanie pyłem węglowym 5. plazmotron Rys. 2. Konfiguracja plazmowych palników pyłowych dla kotła OP-130 Działanie plazmowego palnika pyłowego polega na wprowadzeniu strumienia plazmy do przewodu, którym przepływa mieszanka pyłowo-powietrzna (rys 3). Pod wpływem fizyko-chemicznego oddziaływania plazmy na pył węglowy następuje gwałtowne wydzielanie części lotnych, rozpad cząstek pyłu i zapłon. W efekcie otrzymuje się stabilny płomień pyłowy [8]. Główne źródło energii dla takiego palnika stanowi pył węglowy, a plazma pełni rolę zapłonową i stabilizującą oraz intensyfikuje proces spalania.
plazmotron mieszanka pyłowo- powietrzna czynnik plazmotwórczy płomień pyłowy energia elektryczna czynnik chłodzący Rys. 3. Plazmowy palnik pyłowy schemat Poza plazmotronem i palnikiem pyłowym w skład plazmowej instalacji rozruchowej wchodzą różnorodne układy pomocnicze: o układ zasilania w pył węglowy zapewniający paliwo niezbędne do pracy PPP o układ zasilania elektrycznego obejmujący rozdzielnie elektryczną, układy zabezpieczeń przeciwprzeciążeniowych i przeciwporażeniowych, zasilacz plazmotronu (dla plazmotronów stałoprądowych jest to prostownik dużej mocy) i układ inicjujący; o układ zasilania czynnikiem plazmotwórczym; o układ chłodzenia odbierający nadmiar ciepła z plazmotronu i zasilacza o układy kontroli, pomiarów i sterowania uwzględniające integrację z automatyką bloku. W przypadku zastosowania kilku plazmotronów, układy pomocnicze mogą być przez nie współdzielone. Kiedy instalacja rozruchu plazmowego jest dobudowywana na istniejącym obiekcie instalacja może ona wykorzystywać jego zmodyfikowaną infrastrukturę. Opracowano i wykonano doświadczalną plazmową instalację rozruchową dla kotła OP-130 (rys. 4). Do stworzenia plazmowego palnika pyłowego wykorzystano istniejący rozpałkowy palnik muflowy kotła wraz z jego układem zasilania pyłem. Instalacja jest autonomiczna i nie przeszkadza w normalnym funkcjonowaniu bloku. Umożliwia ona prowadzenie badań plazmotronu zarówno w czasie pracy, jak i postoju kotła [5]. Z wykorzystaniem instalacji wykonano liczne doświadczenia w tym udane próby zapłonu pyłu węglowego (rys. 5). Rys. 4. Plazmowa instalacja rozruchowa na kotle OP-130 1- rozpałkowy palnik muflowy, 2- zasilanie pyłem węglowym, 3- plazmotron, 4-szafa sterowniczozasilająca plazmotronu, 5-układy elektryczne plazmotronu, 6-główne palniki kotła Rys. 5. Widok plazmowego palnika pyłowego podczas próby zapłonu pyłu węglowego
Bibliografia [1] P. Bukowski, A. Dyjakon, W. Kordylewski, M. Salmonowicz, Analiza ekonomiczna plazmowego rozruchu kotłów pyłowych, Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk, 17-20.10.2006. [2] E. Karpenko, V. Messerle, A. Ustimenko, Plasma aided solid fuel combustion, Proceedings of the Combustion Institute 31 (2007), s. 3353 3360 [3] The Application of Plasma Ignition Technology in China, prezentacja firmy EDF China Division, 2008 [4] Plasma Technology - The most modern technology of boiler starting, prezentacja firmy ORGREZ a.s., Międzynarodowa X Konferencja Kotłowa 2006, Szczyrk, 17-20.10.2006; [5] P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka i inni, Zastosowanie plazmotronu wnękowego w muflowym palniku pyłowym do rozruchu kotła energetycznego, Jubileuszowa Konferencja Kotłowa 2009 [ ], Szczyrk, 13-15.10.2009 [6] [P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka, Opracowanie i wykonanie bezzakłóceniowych układów rozruchu plazmotronu dużej mocy, Raporty ITCMP,.Ser. SPR nr 37, 2008 [7] P. Kobel, W. Kordylewski, T. Mączka, Zastosowanie plazmotronu wnękowego do zapłonu muflowego palnika pyłowego, M. K. N. T. Efektywność Energetyczna 2009, Kraków, 21-23.09.2009 [8] P. Kobel, W. Kordylewski, Zastosowanie plazmotronu zasilanego powietrzem do stabilizacji płomienia pyłowego, Archiwum Spalania, vol. 8, nr 1-2, 2008